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计算机组成原理

实验指导书

李翠玉主编

沈阳工业大学

2010年8月

前言

计算机组成原理是计算机科学与技术及相关专业的一门专业基础课，是工程性、技术性和实践性都非常强的一门课程，不仅在开展理论教学中讲授计算机的基本组成与工作原理的基础知识的同时，还要重视实践教学环节以训练学生一定的硬件实践动手能力。

计算机组成原理实验是利用中大规模集成电路等器件，对组成计算机的各相关部件进行逻辑设计、连线及测试。

在实验过程中，通过对各部件的实现原理进行逻辑设计，经过对器件的选择及连线、编译、仿真等工作后，对于设计出的各个部件进行正确性测试。

本实验实践环节在课程教学内容基础上提出基础实验和深度更广、综合性更强的设计性实验，要求学生通过基本实验验证运算器的算术逻辑运算、存储器的读写操作和寄存器、存储器、外设之间的数据传送通路等内容。

在设计性实验中给出设计要求和设计思路，由学生自行设计和调试，独立完成，加深学生对计算机的组成原理和指令在计算机中运行过程的理解，学生可体验设计一个简单计算机模型的方案、通过微指令、微程序的设计实现计算机的基本功能、不断调试最终达到设计要求的全过程。

课程实验环节的目的是帮助学生系统地掌握计算机中的运算器、寄存器、译码电路、存储器、和存储微指令的控制存储器等硬件组成的相关知识，实现知识融会贯通的目的。

通过实验使学生在实际操作中加深对计算机硬件组成与设计、指令的调试和运行维护等多方面的技能，同时训练一定的实验动手能力。

也使学生系统科学地受到分析问题和解决问题的训练，制定了一些实验项目。

本书由李翠玉主编，由于作者水平有限，加之时间紧迫，书中难免有疏漏之处，请广大读者批评指正。

作者

2010年8月

第一章DVCC系列计算机组成原理系统概述

一、DVCC系列计算机组成原理系统简介

DVCC系列计算机组成原理系统是江苏启动计算机公司研制的。

DVCC实验机能很好地完成计算机硬件系统各功能部件的教学实验，它包括运算器部件、控制器部件、主存储器部件、总线和几种最重要的外设接口实验，包括中断、定时计数器、输入/输出接口等，在相应软件的配合下，将各功能部件有机的结合起来，完成计算机整机的实验。

通过它能体现出重要教学内容、能完成主要教学实验项目。

在基本系统上支持多项扩展功能，它包括一个在系统大规模可编程器件，一个并行接口电路。

DVCC系列实验系统可支持高级与初级两个层次上两种方式的实验，高层次的实验方式是指DVCC系列机与PC微机连起来运行，可以动态显示整个实验过程中数据流的流向和当前的各种参数；初级实验方式是指不接任何计算机外围设备，只用DVCC系列机上的开关、按键及指示灯、数码管显示器等操作，控制实验机的运行，同时显示运行的结果。

二、DVCC系列计算机组成原理系统硬件技术指标

1、实验系统的字长为8位、16位兼容设计。

可进行16位运算器实验。

2、实验系统的基本指令系统类PC机，有多种指令格式，多种寻址方式。

3、主存储器采用8K字节静态存储器6264，用于存放用户程序和数据。

4、由4片4位的算术逻辑单元功能发生器级联而成16位运算器。

另配有一个双向通用移位/寄存器，以实现逻辑移位功能。

5、控制器采用微程序方案实现，控存字长为24位，可用最大容量为1024字节，且用电可擦写的E2ROM存储器芯片组成，支持动态微程序设计。

6、实验系统上配有一个RS232串行接口，能直接与微机相连，在软件的配合下，完成全部的部件实验和整机组成实验。

7、作为实验系统的扩展部分：

（1）主板上扩展有一个6000门CPLD器件，以实现可重构原理计算机组成设计实验以及系统结构的实验，培养学生综合设计能力；

（2）扩展有并行I/O口8255、定时/计数器8253，便于学生掌握计算机I/O口扩展方法；（3）配有万能接线板组成的通用实验板。

8、实验系统工作频率源由555时基电路和74LS123可再触发单稳态多谐振荡器组成产生，频率范围为330HZ～580HZ。

9、实验系统上装有24个微程序输入开关，16个数据开关，18个控制开关，2个微动开关和2位七段数码管以及多个发光二极管等。

在不接入计算机的情况下能在手动方式下完成全部部件实验和整机组成实验。

而且数据的输入/输出显示为高电平亮，低电平灭，符合人们的习惯。

10、实验系统须采用总线结构，使实验计算机具有结构简单清晰、扩展方便、灵活易变等诸多优点，实验时只要少些接线即可。

三、DVCC系列计算机组成原理系统软件性能

1、独创的查错功能，通过上位机软件实时显示硬件运行情况，错误定位一目了然。

2、代码程序、微程序直接屏幕编辑。

3、微程序动作屏幕上直接解释，让学生充分理解计算机系统硬件与软件的结合点。

4、实验原理、目的、内容和动态调试软件集成于一体，计算机内部程序运行流程彩色动态显示，直观生动，便于多媒体教学。

5、提供双通道虚拟示波器，用于实验过程中信号的观察，以便在设计性、创新性实验过程中及时分析排除故障，这样，可以减少实验室硬件设备的投入，提高实验设备的综合利用率。

四、DVCC系列计算机组成原理实验机平面图

DVCC系列实验机平面图如图1所示。

从图1中可看到，DVCC系列实验机为学生提供了运算器ALU、寄存器堆模块、指令部件模块、内存模块、微程序模块、启停和时序电路模块、控制台控制模块以及扩展模块。

各功能模块的输出均通过三态器件，部分模块间的总线已连好，另一部分模块的总线学生可按需要连接。

各模块所用的控制线全部用跳线器跳接，简单方便。

图1-1DVCC-C8JH实验机平面图

第二章调试软件简介

DVCC实验机系统在控制软件的协调控制下，提供灵活的实验操作方式。

在实验计算机独立使用时，通过拨动开关及发光二极管以及二进制数码形式进行输入、编程、显示、调试，而且数据的输入/输出显示为高电平亮，低电平灭，符合人们的习惯。

在实验计算机通过RS232通信接口与上位机联机时，可以在上位机上进行编程、相互传送装载实验程序、动态调试和运行实验程序等全部操作，实验者可根据实验题目的需要在两种实验操作方式之间随意切换。

DVCC实验计算机系统提供WINDOWS环境下集成调试软件，有多个显示窗口，如寄存器窗口、微代码窗口、程序代码窗口、动态代码调试窗口、实时数据流动显示窗口等，可在屏幕上显示本实验计算机的组成逻辑示意图，如图2所示。

在此环境下，微代码、程序代码可以直接在屏幕上修改或编程；微代码字段可以直接动作解释；调试运行过程实时动态跟踪显示，如数据流的流向及数据总线、地址总线、控制总线的各种信息，使调试过程极为生动形象；并具有逻辑示波器测量等强大功能。

为同学们提供了良好的实验操作环境，增强同学们的学习、实验的兴趣，从而提高教学效果。

在DVCC实验计算机上还配有双通道虚拟示波器测量软件，用于实验过程中信号的观察，以便在设计性、创新性实验过程中及时分析排除故障，这样，可以减少实验室硬件设备的投入，提高实验设备的综合利用率。

DVCC实验计算机系统的集成调试软件的硬件要求：

⊙一台IBM兼容个人计算机，至少Pentium或PentiumII或更高。

⊙光驱和鼠标；

⊙MicrosoftWindows95/97/98/NT/2000操作系统；

⊙至少32兆内存，建议使用>64兆；

⊙至少4兆可用硬盘空间；

⊙至少256色显示卡。

图2-1DVCC计算机系统的WINDOWS环境下集成调试软件界面

第三章计算机各部件实验

实验一8位算术逻辑运算实验

一、实验目的

1、掌握算术逻辑运算器单元ALU（74LS181）的工作原理。

2、掌握简单运算器的数据传送通路组成原理。

3、验证算术逻辑运算功能发生器74LSl8l的组合功能。

4、按给定数据，完成实验指导书中的算术／逻辑运算。

二、实验内容

1、实验原理

实验中所用的运算器数据通路如图1.1所示。

其中运算器由两片74LS181以并／串形成8位字长的ALU构成。

运算器的输出经过一个三态门74LS245（U33）到ALUO1插座，实验时用8芯排线和内部数据总线BUSD0~D7插座BUSl~6中的任一个相连，内部数据总线通过LZDO～LZD7显示灯显示；运算器的两个数据输入端分别由二个锁存器74LS273（U29、U30）锁存，两个锁存器的输入并联后连至插座ALUBUS，实验时通过8芯排线连至外部数据总线EXD0~D7插座EXJl～EXJ3中的任一个；参与运算的数据来自于8位数据开并KD0~KD7，并经过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0~EXD7，通过数据开关输入的数据由LD0~LD7显示。

图1.1中算术逻辑运算功能发生器74LS18l（U3l、U32）的功能控制信号S3、S2、Sl、S0、CN、M并行相连后连至SJ2插座，实验时通过6芯排线连至6位功能开关插座UJ2，以手动方式用二进制开关S3、S2、S1、S0、CN、M来模拟74LSl8l（U31、U32）的功能控制信号S3、S2、S1、S0、CN、M；其它电平控制信号LDDRl、LDDR2、ALUB’、SWB’以手动方式用二进制开关LDDRl、LDDR2、ALUB、SWB来模拟，这几个信号有自动和手动两种方式产生，通过跳线器切换，其中ALUB’、SWB’为低电平有效，LDDRl、LDDR2为高电平有效。

另有信号T4为脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需的单脉冲。

2、实验接线

本实验用到4个主要模块：

（1）低8位运算器模块

（2）数据输入并显示模块

（3）数据总线显示模块

（4）功能开关模块（借用微地址输入模块）。

根据实验原理详细接线如下：

（1）ALUBUS连EXJ3；

（2）ALU01连BUSl；

（3）SJ2连UJ2；

（4）跳线器J23上T4连SD；

（5）LDDRl、LDDR2、ALUB、SWB四个跳线器拨在左边（手动方式）；

（6）AR跳线器拨在左边，同时开关AR拨在“1”电平。

3、实验步骤

（1）连接线路，仔细查线无误后，接通电源。

（2）用二进制数码开关KD0～KD7向DRl和DR2寄存器置数。

方法：

关闭ALU4输出三态门（ALUB’=1），开启输入三态门（SWB’=0），输入脉冲T4按手动脉冲发生按钮产生。

设置数据开关具体操作步骤图示如下：

说明：

LDDRl、LDDR2、ALUB’、SWB’四个信号电平由对应的开关LDDRl、

LDDR2、ALUB、SWB给出，拨在上面为“1”，拨在下面为“0”，电平值由对应的显示灯显示，T4由手动脉冲开关给出。

（3）检验DRl和DR2中存入的数据是否正确，利用算术逻辑运算功能发生器74LSl8l的逻辑功能进行验算，即M=1。

具体操作如下：

关闭数据输入三态门SWB’=1，打开ALU输出三态门ALUB’=0，当置S3、S2、S1、S0、M为11111时，总线指示灯显示DR1中的数，而置成10101时总线指示灯显示DR2中的数

（4）验证74LSl81的算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）

在给定DRl＝35、DR2=48的情况下，改变算术逻辑运算功能发生器的功能设置，观察运算器的输出，填入实验报告表中，并和理论分析进行比较、验证。

三、实验电路

本实验中使用的运算器数据通路如图1.1所示。

四、74LS181功能表

实验中用到的运算器74LS181功能表如表1.1所示。

表1.1运算器74LS181功能表（正逻辑）

4位ALU

S3S2S1S0

Ｍ＝０（算数运算）

Ｍ＝１

（逻辑运算）

Ｃn=1

无进位

Ｃn=0

有进位

1000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

F=A

F=A+B

F=减1

F=A加（A*B）

F=（A+B）加（A*B）

F=A减B减1

F=（A*B）减1

F=A加A*B

F=A加B

F=（A+B）加A*B

F=A*B减1

F=A加A

F=（A+B）加A

F=A减1

F=A加1

F=（A+B）加1

F=0

F=A加（A*B）加1

F=（A+B）加（A*B）加1

F=A减B

F=（A*B）

F=A加A*B加1

F=A加B加1

F=（A+B）加A*B加1

F=A*B

F=A加A加1

F=（A+B）加A加1

F=A

F=（A+B）

F=A*B

F=0

F=（A*B）

F=B

F=（A⊕B）

F=（A*B）

F=A+B

F=（A⊕B）

F=B

F=A*B

F=1

F=A+B

F=A

其中：

“+”表示或运算；“*”表示与运算；“⊕”表示异或运算

图1.1运算器数据通路

五、实验数据

1、实验数据记录

加数1

DR1

加数2

DR2

S3　S2　S1　S0

M＝0（算术运算）

M＝1

（逻辑运算）

Cn=1

无进位

Cn=0

有进位

0　0　0　0

0　0　0　1

0　0　1　0

0　0　1　1

0　1　0　0

0　1　0　1

0　1　1　0

0　1　1　1

1　0　0　0

1　0　0　1

1　0　1　0

1　0　1　1

1　1　0　0

1　1　0　1

1　1　1　0

1　1　1　1

F＝

六、思考题

1、在向DR1和DR2寄存器置数时S3、S2、S1、S0、M、Cn如何设置？

2、DR1置数完成后，如果不关闭控制端，LDDR1会怎样？

3．为什么在读取74LS181的输出结果时要打开输出三态门的控制端ALUB’？

实验二带进位控制8位算术逻辑运算实验

一、实验目的

1、验证带进位控制的算术逻辑运算发生器74LSl8l的功能。

2、按指定数据完成几种指定的算术运算。

二、实验内容

1、实验原理

带进位控制运算器的实验原理如图2.1所示，在实验一的基础上增加进位控制部分，其中高位74LS181（U31）的进位CN4通过门UN4E、UN2C、UN3B进入UN5B的输入端D，其写入脉冲由T4和AR信号控制，T4是脉冲信号，在手动方式下进行实验时，只需将跳线器J23上T4与手动脉冲发生开关的输出端SD相连，按动手动脉冲开关，即可获得实验所需的单脉冲。

AR是电平控制信号（低电平有效），可用于实现带进位控制实验。

从图中可以看出，AR必须为“0”电平，D型触发器74LS74（UN5B）的时钟端CLK才有脉冲信号输入。

才可以将本次运算的进位结果CY锁存到进位锁存器74LS74（UN5B）中。

2、实验接线

实验连线

（1）～（5）同实验一，详细如下：

（1）ALUBUS~连EXJ3；

（2）ALUO1连BUSl；

（3）SJ2连UJ2；

（4）跳线器J23上T4连SD；

（5）LDDRl、LDDR2、ALUB、SWB四个跳线器拨在左边（手动方式）；

（6）AR、299B跳线器拨在左边，同时开关AR拨在“0’’电平，开关299B拨在“1”电平；

（7）J25跳线器拨在右边。

（8）总清开关拨在“1”电平。

若总清开关拨在“0”电平，Cy清零。

3、实验步骤

（1）仔细查线无误后，接通电源。

（2）用二进制数码开关KDO～KD7向DRl和DR2寄存器置数。

方法：

关闭ALU输出三态门ALUB=1，开启输入三态门SWB=0，输入脉冲T4按手动脉冲发生按钮产生。

如果选择参与操作的两个数据分别为55H、AAH，将这两个数存入DR1和DR2的具体操作步骤如下：

（3）开关ALUB=0，开启输出三态门，开关SWB=1，关闭输入三态门，同时让LDDR1=0，LDDR2=0。

（4）如果原来有进位，CY=1，进位灯亮，但需要清零进位标志时，具体操作方法如下：

◆AR信号置为“0”电平，DRl寄存器中的数应小于FF。

◆S3、S2、S1、S0、M的状态置为00000。

◆按动手动脉冲发生开关，CY=0，即清进位标志。

注：

进位标志指示灯CY亮时，表示进位标志为“1”，有进位；

进位标志指示灯CY灭时，表示进位位为“0”，无进位。

（5）验证带进位运算及进位锁存功能

这里有两种情况：

●进位标志已清零，即CY=0，进位灯灭。

✧使开关CN=0，再来进行带进位算术运算。

例如步骤

（2）参与运算的两个数为55H和AAH，当S3、S2、S1、S0状态为10010，此时输出数据总线显示灯上显示的数据为DRl加DR2再加初始进位位“1”（因CN=0），相加的结果应为ALU=00，并且产生进位，此时按动手动脉冲开关，则进位标志灯亮，表示有进位。

✧使开关CN=1，当S3、S2、S1、S0状态为10010，则相加的结累ALU=FF，并且不产生进位。

●原来有进位，即CY=1，进位灯亮。

此时不考虑CN的状态，再来进行带进位算术运算。

同样步骤

（2）参与运算的两个数为55H和AAH，当S3、S2、S1、S0、M状态为10010，此时输出数据总线显示灯上显示的数据为DRl加DR2再加当前进位标志CY，相加的结果同样为ALU=00，并且产生进位，此时按动手动脉冲开关，则进位标志灯亮，表示有进位。

三、实验电路

带进位控制运算器的实验原理电路如图2.1所示。

四、验证两种操作下带进位的运算功能的实验数据记录

①Cy=0进位灯灭

DR1

DR2

S3S2S1S0

M=0,CN=0（带进位算术运算）

运算结果

运算后

进位状态

理论计算

结果

8CH

9FH

0000

0001

0110

1001

1100

1101

②Cy=1进位灯亮

DR1

DR2

S3S2S1S0

M=0,Cy=1（带进位算术运算）

运算结果

运算后

进位状态

理论计算

结果

8CH

9FH

0000

0001

0110

1001

1100

1101

五、思考题

1、如何在进位运算操作前对进位标志清零？

2、在进行进位运算操作时，在何种情况下要对进位标志清零？

3、分析硬件电路说明在什么条件下，才能锁存8位运算后的进位标志？

图2.1带进位控制运算器的数据通路

实验三16位算术逻辑运算实验

一、实验目的

1、验证算术逻辑运算功能发生器74LS181的16位运算组合功能。

2、掌握16位运算器的数据传送通路组成原理。

3、按要求和给出的数据完成几种指定的算术逻辑运算。

二、实验内容

1、实验原理

16位运算器数据通路如图3.1所示，其中运算器由四片74LS181以并／串形成16位字长的ALU构成。

低8位运算器的输出经过一个三态门74LS245（U33）到ALUO1插座，实验时用8芯排线和内部数据总线BUSD0～D7插座BUS1～6中的任一个相连，低8位数据总线通过LZD0～LZD7显示灯显示；高8位运算器的输出经过一个三态门74LS245（U33’）到ALUO1’插座，实验时用8芯排线和高8位数据总线BUSD8～D15插座KBUS1或KBUS2相连，高8位数据总线通过LZD8～LZD15显示灯显示；参与运算的四个数据输入端分别由四个锁存器74LS273（U29、U30、U29’、U30）锁存，实验时四个锁存器的输入并联后用8芯排线连至外部数据总线EXD0～D7插座EXJ1～EXJ3中的任一个；参与运算的数据源来自于8位数据开并KD0～KD7，并经过一三态门74LS245（U51）直接连至外部数据总线EXD0～EXD7，输入的数据通过LD0～LD7显示。

2、实验接线

本实验需用到6个主要模块：

①低8位运算器模块；②数据输入并显示模块；③数据总线显示模块；④功能开关模块（借用微地址输入模块）；⑤高8位运算器模；⑥高8位（扩展）数据总线显示模块。

根据实验原理详细接线如下（接线①～⑤同实验一）：

①ALUBUS连EXJ3；

②ALUO1连BUS1；

③SJ2连UJ2；

④跳线器J23上T4连SD；

⑤LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB四个跳线器拨至左侧（手动方式）；

⑥AR跳线器拨至左侧，同时开关AR拨至“1”电平；

⑦ALUBUS’连EXJ2；

⑧ALUO1’连KBUS1；

⑨跳线器J19、J25拨至左侧（16位ALU状态）；

⑩高8位运算器区跳线器ZI2、CN0、CN4连上短路套。

⑧ALUO1`连KBUS1；

⑨跳线器J19、J25拨至左侧（16位ALU状态）；

⑩高8位运算器区跳线器ZI2、CN0、CN4连上短路套。

图3.116位运算器数据通路图

3、实验步骤

（1）连接线路，仔细查线无误后，接通电源。

（2）用二进制数码开关KD7～KD0向DR1、DR2、DR3、DR4寄存器置数。

方法：

关闭ALU输出三态门应使ALUB`=1（即开关ALUB=1），开启输入三态门应使SWB`=0（即开关SWB=0），选通哪一个寄存器用对应开关LDDR1～LDDR4（高电平有效），其中LDDR3、LDDR4开关在高8位运算器上部，输入脉冲T4按手动脉冲发生按钮。

设置数据开关具体操作步骤图示如下：

说明：

LDDR1、LDDR2、ALUB`、SWB`、LDDR3、LDDR4六个信号电平由对应的开关LDDR1、LDDR2、ALUB、SWB、LDDR3、LDDR4给出，拨至上面为“1”，拨至下面为“0”，电平值由对应显示灯显示；T4由手动脉冲开关给出。

（3）验证74LS181的16位算术运算和逻辑运算功能（采用正逻辑）。

·开关SWB=1，关闭输入三态门；

·开关ALUB=0，打开输出三态门；

·LDDR1～LDDR4四个开关全拨至“0”电平。

说明：

如果要实现16位带进位控制算术逻辑运算，只需在实验二的基础上将开

关AR=1置成AR=0即可。

·根据表3.1所示内容，置功能开关S3、S2、S1、S0、M、CN改变74LS181的算术运算和逻辑运算功能设置，观察运算器输出，将观察结果填入表3.1中，并将理论计算结果写入表3.2中

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